Es parte de la guía para el segundo periodo de alumnos de Área II

GUÍA DE FÍSICA SEGUNDO PERIODO

TERMODINÁMICA:

1.     Al quemarse la gasolina en un cilindro del motor de un coche se liberan 120 kJ. Si el trabajo realizado por los gases producidos en la combustión es de 5kJ, calcula cuánto valdrá la variación de energía interna del sistema.

2.     Calcular la eficiencia de una maquina térmica que trabaja entre las temperaturas 400 y 20 grados centígrados.

3.     a) ¿Cuál es la eficiencia de una máquina ideal que opera entre dos depósitos de calor a 400y300k?

b) ¿Cuánto trabajo realiza una máquina en un pido completo si se absorben 800 cal de calor del depósito a alta temperatura?

4.     Calcule la entalpía de reacción de:

NO(g) + ½ (g) NO2 (g)

A partir de:

1) ½ N2(g) + ½ O2 (g) NO (g)                H° + 90.37 Kj

2) ½ N2 (g)+ O2(G)NO2(g)                     H° =+ 33.85 KJ

5.     Cuando un sistema pasa del estado a al b a lo largo de la transformación acb recibe una cantidad de calor de 20000 cal y realiza 7.500 cal de trabajo.

a)    ¿Cuánto calor recibe el sistema a lo largo de la transformación adb, si el trabajo es de 2500 cal?

6.     En la siguiente transformación adiabática hallar la variación de la energía interna de un gas que produce en una expansión adiabática 0.5J de trabajo exterior.

7.     Hallar la variación de la energía interna de un sistema que absorbe 500 cal y realiza 40 J de trabajo.

8.     Tres sistemas, que llamaremos 1, 2 y 3 y que tienen el volumen y la presión como variables mecánicas, se ponen en contacto térmico por parejas. Cuando el primero y el tercero están en equilibrio térmico se cumplen:

P1VI-P2V2 = BP1

y cuando lo están el segundo y el tercero.:

V3 (P2V2-P3V3) =A            Donde a y b son constantes.

a)    ¿Cumplen 'estos tres gasés el principio cero? Si lo hacen,

b)    ¿Cuáles son las funciones que se igualan en el equilibrio térmico?

9.     Un gas está encerrado en un contenedor ajustado con un pistón' de 0.10 metros cuadrados de área de sección transversal. La presión del gas se mantiene .a 8000 Pa mientras se añade lentamente calor al sistema, de manera que el pistón es empujado hacia arriba una distancia de 4.0 cm. Si se han añadido 42 J de energía al sistema por calor durante la expansión, ¿cuál es el cambio de energía interna si el proceso es isobárico?

10.  Un trozo de hielo de 583 cm3 a  0 °C se calienta y se convierte en agua a 4 °C. Calcular el incremento de energía interna y entropía que ha experimentado.

Densidades: hielo 0.917.grlcrn3, agua 1 gr/cm3, calor de fusión del hielo 80 cal/g.

11.  ¿Cuál es el incremento en la energía interna de un sistema si se le suministran 8000 calorías de calor para que realice un trabajo de 20000 joules?

12.  Un recipiente con un émbolo móvil contiene 4 L de un gas. Si la variación de energía interna que experimenta es de —300 J y ha absorbido 100 J del entorno, ¿cuál será el volumen final que ocupa el gas suponiendo una presión exterior de 2 atm?

13.  Un gas ideal está encerrado en un cilindro con un émbolo movible sobre él. El émbolo tiene una masa de 8000 gr. y un área de, 5 cm2 y está libre para subir y bajar, manteniendo constante la presión del gas. ¿Cuánto trabajo se realiza sobre el gas cuando la temperatura dé 0.2 mol del gas se eleva de 20°C a 300°C?

14.  Dadas las entalpías estándar de formación:

DH°f [CO (g)] = —110.5kJ; DH°f [CO2(g)] = —393,5 kJ.

Hallar la entalpía de la siguiente reacción: CO (g) + ½ O2 (g)               CO₂ (g)

15.  Un motor se conecta a una batería eléctrica. Como consecuencia de ello, el sistema realiza 555 kJ de trabajo y desprende 124 kJ de calor. Halla la variación de energía interna que sufre el sistema.

16.  Se bombea queroseno -al tanque de combustión de un avión, con una, manguera cuyo diámetro interno es 4 cm. Si la velocidad del queroseno es '8 m/s por la manguera, calcular la relación de flujo de masa. Suponer que el queroseno tiene una densidad de 800 Kg/m3.

Determinar la tasa de flujo de volumen para el queroseno.        .           . . -•

Flujo de masa (M)=pAv

Y = Av

17.  Dos recipientes térmicamente aislados están conectados por un estrecho tubo equipado con una válvula que inicialmente está cerrada. Uno de los recipientes, de 16.8 L de volumen, contiene oxígeno a una temperatura de
300 K y una presión de 1.75 atm. El otro, de 22.4 L de volumen, contiene oxígeno a una temperatura de 450 K y una presión de 2.25 aún. Cuando la válvula se abre, los gases de los dos recipientes se mezclan, y la temperatura y presión se hacen uniformes en todo el sistema.

a) ¿Cuál es la temperatura final?

b) ¿Cuál es la presión final?  

18.  Al convertir 38 °C a grados Kelvin se obtiene:

19.  Un estudiante construyo un calorímetro y. trato de determinar el valor de la capacidad térmica de este aparato. Para ello... coloco en SU interior 300g de. agua fría, y luego de esperar cierto tiempo, pudo comprobar que el conjunto alcanzo el equilibrio térmico a un temperatura de 20 grados centígrados. En seguida, agrego al calorímetro 100 grados centígrados de agua tibia a 45 grados centígrados. Cerrando rápidamente el dispositivo, espero hasta que se volviera a establecer el equilibrio térmico, y hallo entonces que la temperatura final era de 25 grados centígrados. Con base en estos datos, calcule la capacidad térmica del calorímetro del estudiante.

20.  Un gas sufre una expansión adiabática ¿Realiza trabajo externo? Si es así, ¿Cual, es la fuente de energía?

21.  Verdadero o falso:

a)  H es una función de estado.

b) CV es independiente de T en un gas perfecto.

c) E = Q + W para todo sistema termodinámico en reposo en ausencia de campos externos.

d) Un proceso termodinámico  se especifica al especificar el estado inicial y final del proceso.

e) E permanece constante en todo proceso isotérmico en un sistema cerrado.

f)   Q = O en todo proceso cíclico.     .           .

g) E O en todo proceso cíclico.

h) T = O para todo proceso adiabático en un, sistema cerrado,

i)    En un sistema cenado que sólo realiza trabajo PV, un proceso a presión constante con Q > O debe implicar que T> O.            .           .

j)    Cuando un gas real se expansiona contra el vacío en un recinto aislado térmicamente su variación de energía interna es distinta de cero.      

k) Dado que en la fusión del hielo, la T se mantiene constante E = O

1) Para que haya transferencia de calor de una sustancia a otra tiene que haber una diferencia de calor entre ambas.

m) La capacidad calorífica de un sistema puede ser negativa.

22.  Suponga que un gas al expandirse, absorbe una cantidad de calor Q = 150 cal y realiza un trabajo T = 630J. ..          .

a.) Exprese el valor de Q en Joules (considere 1 cal = 4.2J).

b) ¿Cuál fue la variación de energía interna del gas?

c) ¿La energía interna del gas aumento, disminuyo o no varió? ¿Y su temperatura?

d) Así pues, ¿cómo se denomina esta transformación?

23.  Sabiendo que el peso molecular de un gas es 32 y que su coeficiente adiabático es Y = 1 4, deducir los calores específicos de dicho gas a presión y a volumen constante, en unidades del SI.

24.  Componer un cuadro en el que se indiquen las principales características de las transformaciones isoterma, isocora, isobara y adiabática.

25.  Una herradura de hierro de 1.5 kg inicialmente a 600°C se deja caer en una cubeta que contiene 20 kg de agua a 25°C .Cual es la temperatura final? (Pase por alto la capacidad calorífica del recipiente, y suponga que la insignificante cantidad de agua se hierve).

26.  La eficiencia de una máquina de Carnot es de 30.0%. La máquina absorbe 800 J de energía por ciclo por calor desde un depósito caliente a 500 K. Determine (a) la energía expulsada por el ciclo y (b) la temperatura del depósito frío.

27.  ¿Cuánto hielo (a 0°C) se debe añadir a 1.0 kg de agua a 100°Cpara tener solo líquido a 20°C?

28.  ¿Cuánto cambia la entropía de 0.25 kg de alcohol etílico cuando se vaporiza en su punto de ebullición de 78°C (Calor latente de vaporización L= 1.0 xiO5 2/kg)?

29.  En un vaso de cobre., que pesa 1.5 kg, contiene un bloque de hielo de 10 kg a la temperatura de -10'C, se inyecta 5 kg de vapor de agua a 100

* Determinar el estado dela mezcla.

* Determinar la variación de entropía

Calor específico del cobre 397 J/kg, °K Calor de fusión del hielo 334.400 J/kg. Calor específico del agua. 4180 J/kg °K. Calor específico del hielo 2090 J/kg °K. Calor de licuefacción del vapor del agua 2 257 200 J/kg.

30.  Un gas se expande isotérmicamente al tiempo que absorbe 4.8 J. de calor. El. pistón tiene una masa de 3 kg. ¿A qué altura se elevara el pistón con respecto a su posición inicial?

31.  Un metro cubico de aire (supuesto gas perfecto) a la presión P1 = 10 atm sufre una expansión a temperatura constante; la presión final es P2 = 1 atm. Determinar el trabajo intercambiado por el gas con el medio exterior en el curso de esta expansión, así como la cantidad de calor intercambiado con el medio exterior.

32.  ¿Qué es el calor latente de una sustancia y cuál es el calor específico?

33.  Un gas se comprime a una presión constante de .0.8 atm de 9 L a 2 L. En el proceso, 400 J de energía salen del gas por calor.

a) ¿Cuál es el trabajo realizado sobre el gas?       

b) ¿Cuál es el cambio en su energía interna?       

34.  Indica la entropía para la reacción de la fotosíntesis:

6 CO2 (g)+ 6 1H20 (1) -+ C6H1206 (s) + 602(g)

Toma en cuenta los siguientes datos:

DH°fCo2 = -393.5 KJmol

DH°fH20= -241.8 KJImol

AH°fC6H1206 -1274.5 KJ/mol

DH°f 02 = 0 KJImol

35.  Dos bloques idénticos A y B, de fierro ambos, se colocan en contacto y libres de influencias externas. Las temperaturas iniciales de los bloques son
Ta= 200°C y tB= 50°C

a) Después de cierto tiempo ¿Qué sucede a la temperatura tA? ¿Y a la tB?

b) ¿Cuál es la causa de las variaciones en las temperaturas tA y tB?

36. En un ciclo, una maquina térmica absorbe 500 J del depósito .de alta temperatura y expulsa 300 J hacia un depósito de baja temperatura. Si 1aeficiencia de esta máquina es de 60% de la eficiencia de una máquina dé Çarnot. ¿Cuál es la razón entre la temperatura baja y la temperatura alta en la máquina de Carnot?

37.  El rendimiento de una máquina de gasolina de Otto es del 50%, y la constante adiabática es de 1.4. Calcúlese la razón de compresión.

38.  Un termómetro indica 70°C cuando está en equilibrio térmico con el bloque A, y 100°C cuando está en equilibrio térmico con el bloque B. ¿Están en equilibrio térmico los bloques A y B? Indique la condición para que los bloques A y B estén en equilibrio térmico.

39.  Para identificar el trabajo dentro de una gráfica que contiene una isoterma ¿qué se debe hacer?

40.  Menciona el o los ciclos que producen trabajo con ayuda de gasolina.

41.  Cuando se tiene un gas dentro de un envase, a mayor presión hay ­­­­­­­­­­­­
_______________  volumen.

42.  Cierta máquina tiene una salida de potencia de 5.00 kW y tina eficiencia de 25.0%. Si la máquina expulsa 8000 J de energía corno calor en cada ciclo, encuentre (a) la energía absorbida en cada ciclo y (b) el tiempo de duración de cada ciclo.

43.  Una máquina térmica trabaja sobre 3 moles de un gas monoatómico, realizando el ciclo reversible ABCD de la figura Si el volumen del gas en el estado C es el doble del volumen del gas en el estado B.

Calcular las variables desconocidas en cada vértice del ciclo.

Calcular de forma directa el trabajo en cada etapa del ciclo El calor, la variación de energía interna y la variación de entropía Hállese el rendimiento del ciclo

44.  ¿Es posible proporcionar calor a, gas, y a pesar de ello, que su temperatura disminuya? Explique.

45.  En su luna de miel, James Joule viajo de Inglaterra a Suiza Trató de verificar su idea de la convertibilidad entre energía mecánica y energía interna al medir el aumento en temperatura del agua que cata de una catarata Si el agua de una catarata alpina tiene una temperatura de 10°C y luego cae 50 m (como las cataratas del Niagara)

¿Qué temperatura máxima podría esperar joule que hubiera en el fondo de las cataratas?

46. Una sala de 530 m³ de capacidad se encuentra a una temperatura de 10° por la acción de una estufa eléctrica. La presión permanece constante gracias a una ventana abierta Determinar la variación de energía interna del aire interior, supuesto este aire como gas ideal.

47. Determine la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de 1 kg de aluminio desde 30°C a 100°C.

48. Un bloque de Aluminio con m = 0.5 kg, T = 20°C es lanzado a un recipiente a una temperatura de 90°C Calcule la generación de entropía en el universo debido al proceso resultante.

49. Una muestra de 50 gr de cobre está a 25°C Si 200 j de energía se le agregan por calor, ¿cuál es la temperatura final del cobre?

50. Determine

a) ¿Cuál es la eficiencia de una maquina térmica que opera con temperaturas comprendidas entre 1870°C y 430°C?

b) ¿Cuál es el trabajo realizado en Joules, si el calor suministrado es de 1700J?

Un calentador eléctrico consume una corriente de 7 A con un voltaje de 220 V, Durante 6h Determine la cantidad de trabajo eléctrico suministrada al Calentador.

Durante un periodo de 24h, un riel de acero cambia a temperatura de 20 grados F y por la noche a 70 grados F al medio día. Exprese este rango de temperatura en grados Celsius.

51. La temperatura de una barra de plata sube 10°C cuando absorbe 1.23 U de energía por calor. La masa de la barra es de 525 g. Determine el calor específico de la plata _________________________________________ .

52. ¿Cuál será la variación de la energía interna en un sistema que recibe 50 calorías y se aplica un trabajo de 100 J? La resistencia de un termómetro de platino es de 18.56.

Ejercicios de termodinámica (4°de ESO/1° de Bachillerato)

1.    A un sartén de acero de 300g de masa se le aumenta la energía interna de 200 J.

a)    ¿Qué aumento de temperatura se produce?

b)    Sí su temperatura inicial  es de 25°C, ¿Cuál será la temperatura final?

Dato: Calor específico del acero 450 J/kg-K.

Sol: a) 1,48 °C; b) 26.4 °C.

2.    ¿Cuánto aumenta la energía interna de 500 g  de agua si se aumenta su temperatura de 50 °C a 60 °C?

Sol: 20900 J.

3.    Un cubito de hielo de30 g de masa se encuentra a -5°C. Calcula la energía que hay que comunicar para que se pase al estado líquido.

      Datos: Lf -334.4 J/g. Ce -213 J/g-K

      Sol: 10351.8J.

4.    Se pone en contacto 500 g de agua a 10°C con 500g de hierro a 90°C. Calcula la temperatura a la que se produce el equilibrio térmico

Datos: Hierro Ca-0.489 J/g-K

Sol: 18.38°C.

5.    Se quiere fundir 1gkg de hielo a  0°C echando agua a 60°C. ¿Qué cantidad de agua se necesita?

Datos: Hielo Lf -334.4 J/g

Sol: 1333.3g

6.    ¿Qué energía desprenden al aire 10 g de vapor de agua que se condensan con una ventana?

Datos: Vapor De= 2257 J/G

Sol: 22579 J.

7.    ¿Cuánto calor hay que transferir para fundir una barra de hierro de masa 10 kg que se encuentra a 0^oC?

Datos: Temperatura de fusión del hierro 1535 ^oC 2 L = 25000 J/g, -0435 J/g K.

Sol: 776050 J.

8.    En un experimento se suministran 5820 J de energía en forma de calor y esto eleva la temperatura de un bloque de aluminio 30 oC. Si la masa del bloque de aluminio es de 200 g, ¿cuál es el valor del calor específico del aluminio?

Sol: 1.03 J/K.

9.    A una mezcla formada por 30 g de agua y 60 g de alcohol (c_e = 2.45 J/K) a 45 ^oC le agregamos 90 g de glicerina (a = 2.43 j/gK) a 100 ^oC y esperamos hasta que alcance el equilibrio. Calcula:

a)    La temperatura final de la mezcla.

b)    La cantidad de calor cedido por cada una de las sustancias.

Sol: 2940 ^oC;   b) H agua- 1955;  c) El alcohol -2292 y 4247 J/g.

10. Ponemos en contacto 1 kg de agua a ^oC  con 200 g de hielo (L = 334 J/g.

11. Si se supone que se expande  500ml contra una presión de 120 atm ¿Cuánto trabajo se hace con la expansión?

12. La temperatura de un abarra de plata sube 10 ^oC cuando absorbe 1.23 Kj.

13. Una esfera maciza de latón cuyo radio a 0°C es de 5 cm se calienta hasta los 150 °C. Calcuta su aumento de volumen sabiendo que el coeficiente de dilatación lineal del latón es 1.9-10^-6 K^-1. Sol: 0.099 cm³.

14. La longitud de una barra de hierro a O °C es de 1 m. Calcula la longitud de la barra a 100 °C si el coeficiente de dilatación lineal es 1.210^-5 K^-5. Sol: 1.0012 m.

15. Una varilla de cobre (a 1.8 ⁿ10^-5) tiene1 m de longitud a 0°C. Establece a que
temperatura deberá calentarse para que su longitud sea de 1.02 ni. Sol: 1111 °C.

16. Un sistema termodinámico recibe una cantidad de calor de 100 cal y realiza un trabajo de 200 J ¿Cuál fue la variación de energía interna del sistema?

Sol. 218 J.

17. Un sistema termodinámico cede una cantidad de calor de 2000J, realizándose un trabajo contra el sistema de 3000 J. ¿Cuál fue la variación de energía interna del sistema? Sol.1000 J

Motores térmicos y entropía:

h =

=

W    Q1 – Q2

El rendimiento de un motor cualquiera se calcula como:

 

Siendo Q₁ el calor transferido por un foco caliente a temperatura T₁, Q₂ el calor transferido a temperatura T₂ y W EL trabajo realizado, por el motor.

En los siguientes ejercicios supondremos (salvo que se diga lo contrario) que todos los motores son ideales y producen el rendimiento máximo posible descrito por el motor ideal de Carnot, que cumple la expresión de rendimiento:

Solo el motor de Carnot cumple esta igualdad con las temperaturas.

Para los cálculos de entropías utilizaremos la expresión de la misma en procesos isotermos:

Un motor de Carnot no producirá cambios en la entropía del universo.

Ejercicios de motores térmicos y entropía:

18. Disponemos de un motor que trabaja entre dos focos, del primero obtiene 32000 J y cede al segundo 180001 Calcula el trabajo obtenido por dicho m~ y su rendimiento.

Sol: 14000, 43.75 %

19. El rendimiento de un motor es del 40% y al foco frío que se encuentra a 300 K le cede 20000 J. Calcula:

a) La temperatura del, foco caliente.

b) La cantidad de energía que extrae del foco caliente.

e) El trabajo que es capaz de realizar dicho motor.

d) La entropía perdida o ganada por cada foco así como la variación de
    entropía del universo.

Sol: a) 500 K;   b) 33333 J;    c) 13333 J;    d) -66.7 J/K     166.7 J/K y o J/K el universo

20. El rendimiento de una máquina térmica es de 60%. Del foco caliente toma una cantidad de energía en forma de calor de 14500 J y después otra cantidad al foco frío que está a una temperatura de 200 K.

a) Calcula la cantidad de calor que cede al foco frío.

b) Calcula el trabajo realizado por la máquina.

e) ¿A qué temperatura se encuentra el foco caliente?

d) La entropía ganada o perdida por cada foco así como la variación de    
    entropía del universo.

Sol: a) 6160 J;   b) 9240;   c) 500 K;   d) – 30.8 J/K, 30.8 J/K, y 0 J/K del universo

21. Un motor no ideal obtiene 5000 J de un foco a 500 K de temperatura y transfiere 3000 J a un foco de 200 K de temperatura. Determinar:

a)    El rendimiento del motor.

b)    El trabajo obtenido.

c)    El cambio de entropía en los focos y en el universo.

Sol: a) 40 %;   b) 2000 J; c) -10J/K, 15 J/K y 5 J/K del universo